Сообщение на тему ультразвук

Обновлено: 01.06.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Ультразву́к — звуковые волны , имеющие частоту выше воспринимаемых человеческим ухом, обычно, под ультразвуком понимают частоты выше 20 000 герц .

Ультразвук представляет собой механические колебания упругой среды, обладающие определенной энергией. По своей физической природе они не отличаются от звуков и характеризуются лишь более высокой частотой, превышающей порог слышимости.

Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел.

Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне от нескольких десятков кГц до единиц МГц. Существенное влияние на скорость ультразвука оказывает температура среды, так при повышении температуры воздуха на 1° скорость увеличивается на 0,5 м/с. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвуковых колебаний, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путём (камертоны, свистки, сирены).

В природе УЗ встречается как в качестве компонентов многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве и общения ( киты , дельфины , летучие мыши , грызуны , долгопяты ).

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока — струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей — электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твёрдого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон .

Сирена — механический источник упругих колебаний и, в том числе, ультразвука. Их частотный диапазон может достигать 100 кГц, но известны сирены, работающие на частоте до 600 кГц. Мощность сирен доходит до десятков кВт.

Воздушные динамические сирены применяются для сигнализации и технологических целей ( коагуляция мелкодисперсных аэрозолей (осаждение туманов ), разрушение пены, ускорение процессов массо- и теплообмена и т. д.).

Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске — роторе. При вращении ротора положение отверстий в нём периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подаётся сжатый воздух, который вырывается из неё в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.

Частота звука в сиренах зависят от количества отверстий и их геометрической формы, и скорости вращения ротора.

Летучие мыши , использующие при ночном ориентировании эхолокацию , испускают при этом ртом.

Эхолокацию используют для навигации и птицы — жирные козодои, или гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки — от Панамы на северо-западе до Перу на юге и Суринама на востоке. Живя в кромешной тьме, жирные козодои, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щёлкающие звуки, воспринимаемые и человеческим ухом (их частота примерно 7 000 Герц). Каждый щелчок длится одну-две миллисекунды. Звук щелчка отражается от стен подземелья, разных выступов и препятствий и воспринимается чутким слухом птицы.

Ультразвуковой эхолокацией в воде пользуются китообразные .

Применение ультразвука в медицине можно разбить на два основных направления: диагностику и терапию.

К первому направлению относятся локационные методы с использованием главным образом импульсного излучения. Это эхоэнцефалография, ультразвуковая кардиография, в офтальмологии – для определения размеров глазных сред.

Основное применение ультразвука в терапии основано на механическим и тепловым действием на ткани. При операциях ультразвук применяют как ультразвуковой скальпель.

Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией , ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза .

Интересные факты об ультразвуке

В лабораторных условиях и на производстве ультразвуковые волны прекрасно применяют для очистки как лабораторных колб и пробирок, так и для очистки от мелких частичек. А в некоторых стиральных машинах ультразвук применяют для очистки одежды от грязи.

Вследствие воздействия ультразвуковых волн на тело человека, организм претерпит температурные изменения – в данном случае температура повышается, и такое свойство часто используют для борьбы с инфекционными и бактериальными заболеваниями, которые не переносят высоких температур.

У ночной бабочки, отнесенной к семейству медведиц, в процессе эволюции и развития сформировался особый орган, способный генерировать ультразвуковые помехи и так сбивать столку охотящихся на них летучих мышей.

Самый первый ультразвуковой свисток был произведен в 1883 году англичанином Гальтон – на тот момент его использовали для дрессировки охотничьих собак и домашних кошек, которых использовали на зернохранилищах для охоты на мышей.

Использование ультразвука в медицине. Физиотерапевты часто используют ультразвук для ускорения срастания переломов, но что самое интересное – врачи до сих пор не могут объяснить, как именно это происходит, не могут.

Эхолокацию с использованием ультразвука прекрасно освоили и китоподобные, живя и охотясь, общаясь в глубинах океана по тому же принципу, что и летучие мыши.

Летучие мыши мешают друг другу охоте посредством ультразвука. В процессе охоты каждый летучий охотник сканирует вокруг себя пространство при помощи ультразвука, издавая короткие сигналы, ультразвуковой крик и при выявлении потенциальной жертвы выдает еще более частую серию криков – это помогает установить ее точное местоположение. В тоже время, если рядом охотится еще одна летучая мышь – ее ультразвук будет накладываться на сигналы первой, и тем самым обе они будут просто промахиваться мимо потенциального обеда.

Ученым из Канады, Д. Хэйром было установлено, что подобный лексикон общения на уровне ультразвука имеют и североамериканские. Ученым удалось установить, что так сказать нормального диапазона звуки, которые издают суслики, идут вперемешку с сиплым шепотом. Сама же аппаратура, которая применялась для изучения летучих мышей, зафиксировала, что именно эти непонятные всхлипы и шепот богаты на различные по своему диапазону ультразвуковые частоты, которые и есть для сусликов такими себе сигналами коммуникации, речью. Хищники на слух их не воспринимают, а сами суслики общаются ими меж собой при небольшой опасности – если угроза весьма близка, то животные подают звуки, слышимые даже для человека, когда уже не до шифровок.

А не задумывались ли вы над тем, почему пищат младенцы, независимо человеческое ли это дитя или же щенок или котенок? Так писк малыша может резать слух и при всем этом нельзя сказать, что они громкие и тут дело даже не в том, что ребенок не способен издавать звуки взрослой особы.

Все дело в том, что высокие, ультразвуковые волны не способны распространяться на достаточно большое расстояние и потому с легкостью поглощаются воздухом, окружающими малыша предметами. В силу этого писк новорожденного просто не слышен хищниками, и то, если последние находится недалеко от него. Помимо этого, ученые установили, что основная частота писка малыша лежит в так называемом диапазоне болевого уровня, порога – это также служит дополнительной звуковой защитой от потенциального хищника и врага. Именно такой по своему диапазону крик играет ту же роль, что и жало у пчелы или же шипы на теле некоторых животных.

ФАКТы О ВРЕДЕ УЛЬТРАЗВУКА

Исследования показывают, что у людей, подвергавшихся воздействию ультразвука , уровень перинатальной смертности возрастает в четыре раза, увеличивается уровень риска повреждения мозга, задержки развития речи, эпилепсии и трудности обучения.

1. В группе, подвергавшейся воздействию ультразвука, уровень перинатальной смертности возрос в четыре раза.

2. Исследование 1984г. показывает, что у детей, подвергавшихся воздействию ультразвука, чаще развивалась дислексия, а в два раза чаще происходила задержка речевого развития по неизвестным причинам.

3. Дети мужского пола, подвергавшиеся воздействию ультразвука, были наиболее склонны к проявлению признаков повреждения мозга.

4. Младенцы, подвергшиеся воздействию ультразвука, более склонны к развитию эпилепсии и трудностям в обучении.

5. Исследователи, разработавшие ультразвук, допускали возможность нанесения вреда в результате его применения и категорически не рекомендовали его использование применительно к детям до 3 месяцев.

6. Клетки, подвергнутые единственной дозе ультразвука, проявляют ненормальные свойства на протяжении десяти поколений после облучения.

7. У мышей, подвергнутых влиянию ультразвука, отмечается замедление функций мозга и снижение двигательной и поисковой.

8. В результате газовой кавитации ультразвука увеличивается производство свободных радикалов в амниотической жидкости и плазме крови. Также это способствует вероятному механизму повреждения ДНК.

9. ультразвук измеряется в 100 децибел (в утробе), что эквивалентно нахождению ребенка на платформе метро в то время, когда поезд с ревом приближается и со скрежетом останавливается.

Ультразвук - упругие колебания и волны, частоты которых превышают 15000-20000 гц. Теоретически верхняя граница ультразвуковых колебаний лежит в пределах гц, однако наивысшая полученная в настоящее время частота ультразвука составляет лишь 2 гц.

Первоначально У. и слышимые звуки различали по признаку восприятия или невосприятия их человеческим ухом; однако верхняя граница порога слышимости по частоте различных людей при нормальном слухе колеблется в очень широких пределах от 7000 до 18000 гц. Позднее было установлено что ультразвуковые колебания с частотами 30000-40000 гц. при известных условиях также могут восприниматься человеческим ухом (через механизм так называемой костной проводимости). Многие животные могут воспринимать У. до 80000 гц.

У. встречаются в природе; они содержатся в шуме ветра, водопада, морского прибоя. Некоторые насекомые (бабочки, цикады и др.) не только воспринимают У. но и излучают их. Летучие мыши, дельфины пользуются ультразвуковыми импульсами для локации препятствий. У. присутствуют также в шумах машин; иногда они могут достигать очень большой интенсивности. В частности, У. шумов, реактивных самолетов мог бы оказать вредное воздействие на слух и организм команды и пассажиров, если бы не принимались специальные меры для звукоизоляции.

Изучением У. занимались французский ученый Ф. Савар (1830), сделавшие первые попытки установить частотный порог слышимости человеческого уха, В. Вин (1903), П. Н. Лебедев и его школа, изучавшие поглощение У. в воздухе и разработавшие методику измерения давления звука в области У. Существенный вклад был сделан П. Ланжевеном, который, разрабатывая установку для ультразвуковой импульсной локации подводных лодок (1915-1917) решил ряд физических и технических задач. Следующим этапом были работы Р. Вуда (1927), который получил У. высокой интенсивности и исследовал его воздействие на вещество и на живые организмы. В 1928 году советский ученый С. Я. Соколов предложил применять У. для обнаружения дефектов в металлических изделиях и заготовках, положив этим начало столь широко развитой в настоящее время ультразвуковой дефектоскопией. 50-е гг. XX века характеризуются ростом различных практических применений У. Особняком стоит применение У. в медицинской терапии для лечения заболеваний перифирической нервной системы, абсцессов и так далее. При больших интенсивностях У. происходит разрушение живых клеток и ткани.

В следствии высокой частоты колебаний и, следовательно, малой длины волн У. легко заставить распространяться в виде направленных пучков, получивших название ультразвуковых лучей. Это позволяет применить У. для установления неоднородностей и дефектов внутри оптически не прозрачных (но пропускающих У.) сред, подобно тому, как это производится световыми лучами в оптически прозрачных средах. У. применяется также для гидролокации, а в последнее время в медицинской диагностики для обнаружения опухолевых образований, изучения движения участков сердечной мышцы и другое.

Техническое применение У. может быть разбита на две основные группы. К первой группе относятся приборы для контрольно-измерительных целей, а также установке для получения информации и осуществления связи. Во всех этих случаях применяется У. сравнительно небольшой интенсивности. Наиболее существенными в этой группе являются:

- обнаружение кораблей и подводных лодок;

- промысловая разведка рыбы;

- измерение геометрических размеров;

- скорости потока жидкости и газа;

- контроль за ходом реакции и т. д.

Для применения второй группы характерна большая интенсивность У. со специальной целью вызвать желаемые изменения в среде, через которую он проходит. Относительная сложность и дороговизна ультразвуковой энергии в настоящее время ограничивает широкое применение У. в промышленности, впредь до разработки более простых и удобных источников У.

Если какое-либо тело колеблется в упругой среде быстрее, чем среда успевает обтекать его, оно своим движением то сжимает, то разрежает среду. Слои повышенного и пониженного давления разбегаются от колеблющегося тела во все стороны и образуют звуковые волны. Если колебания тела, создающего волну следуют друг за другом не реже, чем 16 раз в секунду не чаще, чем 18 тысяч раз в секунду, то человеческое ухо слышит их.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:

Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)
Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.
Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.
В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.
Ультразвук неслышим и не создаёт дискомфорта обслуживающему персоналу.

История ультразвука. Кто открыл ультразвук.

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический – единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт корабля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола (как, впрочем, и подрыв в воде пороховых патронов), давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон. Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Получение ультразвука.

Излучатели ультразвука можно разделить на две большие группы:

1) Колебания возбуждаются препятствиями на пути струи газа или жидкости, или прерыванием струи газа или жидкости. Используются ограниченно, в основном для получения мощного УЗ в газовой среде.

2) Колебания возбуждаются преобразованием в механические колебаний тока или напряжения. В большинстве ультразвуковых устройств используются излучатели этой группы: пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи.

Применение ультразвука.

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

получение информации о веществе
воздействие на вещество
обработка и передача сигналов

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется в таких исследованиях:

изучение молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах
изучение строения кристаллов и других твёрдых тел
контроль протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.
определение концентрации растворов
определение прочностных характеристик и состава материалов
определение наличия примесей
определение скорости течения жидкости и газа

Измерение скорости звука в твёрдых телах позволяет определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов. Такой косвенный метод определения прочности удобен простотой и возможностью использования в реальных условиях.

Ультразвуковые газоанализаторы осуществляют слежение за процессами накопления опасных примесей. Зависимость скорости УЗ от температуры используется для бесконтактной термометрии газов и жидкостей.

На измерении скорости звука в движущихся жидкостях и газах, в том числе неоднородных (эмульсии, суспензии, пульпы), основаны ультразвуковые расходомеры, работающие на эффекте Допплера. Аналогичная аппаратура используется для определения скорости и расхода потока крови в клинических исследованиях.

Большая группа методов измерения основана на отражении и рассеянии волн ультразвука на границах между средами. Эти методы позволяют точно определять местонахождение инородных для среды тел и используются в таких сферах как:

гидролокация
неразрушающий контроль и дефектоскопия
медицинская диагностика
определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях
определения размеров изделий
визуализация звуковых полей — звуковидение и акустическая голография

Отражение, преломление и возможность фокусировки ультразвука используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества. Наличие неоднородностей и их координаты определяются по отражённым сигналам или по структуре тени.

Методы измерения, основанные на зависимости параметров резонансной колебательной системы от свойств нагружающей его среды (импеданс), применяются для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Этот же принцип лежит в основе УЗ твердомеров, уровнемеров, сигнализаторов уровня. Преимущества УЗ методов контроля: малое время измерений, возможность контроля взрывоопасных, агрессивных и токсичных сред, отсутствие воздействия инструмента на контролируемую среду и процессы.

Воздействие ультразвука на вещество.

Воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, широко используется в промышленности. При этом механизмы воздействия ультразвука различны для разных сред. В газах основным действующим фактором являются акустические течения, ускоряющие процессы тепломассообмена. Причём эффективность УЗ перемешивания значительно выше обычного гидродинамического, т.к. пограничный слой имеет меньшую толщину и как следствие, больший градиент температуры или концентрации. Этот эффект используется в таких процессах, как:

ультразвуковая сушка
горение в ультразвуковом поле
коагуляция аэрозолей

В ультразвуковой обработке жидкостей основным действующим фактором является кавитация. На эффекте кавитации основаны следующие технологические процессы:

Акустические течения — один из основных механизмов воздействия ультразвука на вещество. Он обусловлен поглощением ультразвуковой энергии в веществе и в пограничном слое. Акустические потоки отличаются от гидродинамических малой толщиной пограничного слоя и возможностью его утонения с увеличением частоты колебаний. Это приводит к уменьшению толщины температурного или концентрационного погранслоя и увеличению градиентов температуры или концентрации, определяющих скорость переноса тепла или массы. Это способствует ускорению процессов горения, сушки, перемешивания, перегонки, диффузии, экстракции, пропитки, сорбции, кристаллизации, растворения, дегазации жидкостей и расплавов. В потоке с высокой энергией влияние акустической волны осуществляется за счёт энергии самого потока, путём изменения его турбулентности. В этом случае акустическая энергия может составлять всего доли процентов от энергии потока.

При прохождении через жидкость звуковой волны большой интенсивности, возникает так называемая акустическая кавитация. В интенсивной звуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко схлопываются при переходе в область повышенного давления. В кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения в виде микроударных волн и микропотоков. Кроме того, схлопывание пузырьков сопровождается сильным локальным разогревом вещества и выделением газа. Такое воздействие приводит к разрушению даже таких прочных веществ, как сталь и кварц. Этот эффект используется для диспергировании твёрдых тел, получения мелкодисперсных эмульсий несмешивающихся жидкостей, возбуждения и ускорения химических реакций, уничтожения микроорганизмов, экстрагирования из животных и растительных клеток ферментов. Кавитация определяет также такие эффекты как слабое свечение жидкости под действием ультразвука – звуколюминесценция, и аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры – звукокапиллярный эффект.

Кавитационное диспергирование кристаллов карбоната кальция (накипи) лежит в основе акустических противонакипных устройств. Под воздействием ультразвука происходит раскалывание частиц, находящихся в воде, их средние размеры уменьшаются с 10 до 1 микрона, увеличивается их количество и общая площадь поверхности частиц. Это приводит к переносу процесса образования накипи с теплообменной поверхности в непосредственно в жидкость. Ультразвук так же воздействует и на сформированный слой накипи, образуя в нем микротрещины способствующие откалыванию кусочков накипи с теплообменной поверхности.

В установках по ультразвуковой очистке с помощью кавитации и порождаемых ею микропотоков удаляют загрязнения как жёстко связанные с поверхностью, типа окалины, накипи, заусенцев, так и мягкие загрязнения типа жирных плёнок, грязи и т.п. Этот же эффект используется для интенсификации электролитических процессов.

Под действием ультразвука возникает такой любопытный эффект, как акустическая коагуляция, т.е. сближение и укрупнение взвешенных частиц в жидкости и газе. Физический механизм этого явления ещё не окончательно ясен. Акустическая коагуляция применяется для осаждения промышленных пылей, дымов и туманов при низких для ультразвука частотах до 20 кГц. Возможно, что благотворное действие звона церковных колоколов основано на этом эффекте.

Механическая обработка твёрдых тел с применением ультразвука основана на следующих эффектах:

уменьшение трения между поверхностями при УЗ колебаниях одной из них
снижение предела текучести или пластическая деформация под действием УЗ
упрочнение и снижение остаточных напряжений в металлах под ударным воздействием инструмента с УЗ частотой
Комбинированное воздействие статического сжатия и ультразвуковых колебаний используется в ультразвуковой сварке

Различают четыре вида мехобработки с помощью ультразвука:

размерная обработка деталей из твёрдых и хрупких материалов
резание труднообрабатываемых материалов с наложением УЗ на режущий инструмент
снятие заусенцев в ультразвуковой ванне
шлифование вязких материалов с ультразвуковой очисткой шлифовального круга

Действия ультразвука на биологические объекты вызывает разнообразные эффекты и реакции в тканях организма, что широко используется в ультразвуковой терапии и хирургии. Ультразвук является катализатором, ускоряющим установление равновесного, с точки зрения физиологии состояния организма, т.е. здорового состояния. УЗ оказывает на больные ткани значительно большее влияние, чем на здоровые. Также используется ультразвуковое распыление лекарственных средств при ингаляциях. Ультразвуковая хирургия основана на следующих эффектах: разрушение тканей собственно сфокусированным ультразвуком и наложение ультразвуковых колебаний на режущий хирургический инструмент.

Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электронных сигналов и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. Малая скорость ультразвука используется в линиях задержки. Управление оптическими сигналами основывается на дифракции света на ультразвуке. Один из видов такой дифракции – т.н.брегговская дифракция зависит от длины волны ультразвука, что позволяет выделить из широкого спектра светового излучения узкий частотный интервал, т.е. осуществлять фильтрацию света.

Ультразвук чрезвычайно интересная вещь и можно предположить, что многие возможности его практического применения до сих пор не известны человечеству. Мы любим и знаем ультразвук и будем рады обсудить любые идеи, связанные его применением.

Где применяется ультразвук - сводная таблица

Ультразвук представляет волны продольного вида, которые имеют частоту колебаний более 20 КГц. Это больше частоты колебаний, воспринимаемых человеческим слуховым аппаратом. Человек же может воспринимать частоты, находящиеся в пределах 16-20 КГц, они называются звуковыми. Ультразвуковые волны выглядят как череда сгущений и разряжений вещества или среды. Благодаря их свойствам они находят широкое применение во многих областях.

Ультразвук

В ультразвуковой диапазон попадают частоты, начиная от 20 тысяч и до нескольких миллиардов герц. Это колебания высокой частоты, которые находятся за областью слышимости ухом человека. Однако ультразвуковые волны вполне воспринимают некоторые виды животных. Это дельфины, киты, крысы и другие млекопитающие.

По физическим свойствам ультразвуковые волны являются упругими, поэтому они не имеют отличий от звуковых. В результате разница между звуковыми и ультразвуковыми колебаниями весьма условна, ведь она зависит от субъективного восприятия слуха человека и равняется верхнему уровню слышимого звука.

Но наличие более высоких частот, а значит и небольшой длины волны, придает ультразвуковым колебаниям определенные особенности:

Ультразвуковые частоты имеют разную скорость перемещения через различные вещества, благодаря чему можно с высокой точностью определять свойство протекающих процессов, удельную тепловую емкость газов, а также характеристики твердого тела.
Волны значительной интенсивности обладают определенными эффектами, которые подчиняются нелинейной акустике.
При движении ультразвуковых волн со значительной мощностью в жидкостной среде возникает явление акустической кавитации. Данное явление очень важно, ведь в результате создается поле пузырьков, которые образуются из субмикроскопических частиц газа или пара в водной или иной среде. Они пульсируют с некоторой частотой и захлопываются с огромным локальным давлением. Это создает сферические ударные волны, что ведет к появлению акустических микроскопических потоков. Благодаря использованию этого явления ученые научились очищать загрязненные детали, а также создавать торпеды, которые движутся в воде быстрее скорости звука.
Ультразвук может быть сфокусирован и сконцентрирован, что позволяет создавать звуковые рисунки. Это свойство с успехом применяется в голографии и звуковом видении.
Ультразвуковая волна вполне может выступать в качестве дифракционной решетки.

Свойства

Ультразвуковые волны по своим свойствам схожи со звуковыми волнами, однако у них есть и специфические особенности:

Малая длина волны. Даже для низкой границы длина равняется менее нескольких сантиметров. Такой небольшой размер длины приводит к лучевому характеру перемещения ультразвуковых колебаний. Непосредственно рядом с излучателем волна идет в виде пучка, которая приближается к параметрам излучателя. Однако, оказываясь в условиях неоднородной среды, пучок перемещается как луч света. Он также может отражаться, рассеиваться, преломляться.
Малый период колебаний, благодаря чему появляется возможность использования ультразвуковых колебаний в виде импульсов.
Ультразвук нельзя услышать и он не создает раздражающего эффекта.
При воздействии ультразвуковых колебаний на определенные среды можно добиться получения специфических эффектов. К примеру, можно создать локальный нагрев, дегазацию, обеззаразить среду, кавитацию и многие иные эффекты.

Принцип действия

Для создания ультразвуковых колебаний используются различные устройства:

Механические, где в качества источника выступает энергия жидкости или газа.
Электромеханические, где ультразвуковая энергия создается из электрической.

В качестве механических излучателей могут выступать свистки и сирены, работающие с помощью воздуха или жидкости. Они удобны и просты, однако у них есть свои минусы. Так коэффициент полезного действия у них находится в пределах 10-20 процентов. Они создают обширный спектр частот с нестабильной амплитудой и частотой. Это ведет к тому, что такие устройства невозможно использовать в условиях, когда требуется точность. Чаще всего их применяют в качестве средств сигнализации.

Электромеханические устройства используют принцип пьезоэлектрического эффекта. Его особенность в том, что при образовании электрозарядов на гранях кристалла происходит его сжимание и растягивание. В результате создаются колебания с частотой, зависящей от периода смены потенциала на поверхностях кристалла.

Кроме преобразователей, которые базируются на пьезоэлектрическом эффекте, могут применяться и магнитострикционные преобразователи. Они используются для создания мощного ультразвукового пучка. Сердечник, который выполнен из магнитострикционного материала, размещенный в проводящей обмотке, изменяет собственную длину согласно форме электрического сигнала, поступающего на обмотку.

Применение

Ультразвук находит широкое применение в самых разнообразных областях.

Чаще всего его используют в следующих направлениях:

Получение данных о конкретном веществе.
Обработка и передача сигналов.
Воздействие на вещество.

Так при помощи ультразвуковых волн изучают:

Молекулярные процессы в различных структурах.
Определение концентрации веществ в растворах.
Определение, состава, прочностных характеристик материалов и так далее.

В ультразвуковой обработке часто используется метод кавитации:

Металлизация.
Ультразвуковая очистка.
Дегазация жидкостей.
Диспергирование.
Получение аэрозолей.
Ультразвуковая стерилизация.
Уничтожения микроорганизмов.
Интенсификация электрохимических процессов.

Воздействием ультразвуковых волн в промышленности производят следующие технологические операции:

Коагуляция.
Горение в ультразвуковой среде.
Сушка.
Сварка.

В медицине ультразвуковые волны используются в терапии и диагностике. В диагностике задействуют локационные методы с применением импульсного излучения. К ним относятся ультразвуковая кардиография, эхоэнцефалография и ряд иных методов. В терапии ультразвуковые волны применяются в качестве методов, основанных на тепловом и механическом воздействии на ткани. К примеру, довольно часто во время операций используют ультразвуковой скальпель.

Также ультразвуковыми колебаниями проводится:

Микромассаж структур ткани при помощи вибрации.
Стимуляция регенерации клеток, а также межклеточного обмена.
Увеличение проницаемости оболочек тканей.

Ультразвук может действовать на ткани угнетением, стимулированием или разрушением. Все это зависит от применяемой дозы ультразвуковых колебаний и их мощности. Однако не на все области тела человека разрешается использовать такие волны. Так с определенной осторожностью воздействуют на сердечную мышцу и ряд эндокринных органов. На мозг, шейные позвонки, мошонку и ряд иных органов воздействие вовсе не используется.

Ультразвуковые колебания применяются в случаях, когда невозможно использовать рентген в:

Травматологии используется метод эхографии, который с легкостью обнаруживает внутреннее кровотечение.
Акушерстве волны применяются для оценки развития плода, а также его параметров.
Кардиологии они позволяют обследовать сердечнососудистую систему.

Ультразвук в будущем

На текущий момент ультразвук широко применяется в различных областях, но в будущем он найдет еще большее применение. Уже сегодня планируется создание фантастических для сегодняшнего дня устройств.

Читайте также: